eventfd(2) 结合 select(2) 分析

本文代码选自内核 4.17

eventfd(2) - 创建一个文件描述符用于事件通知。

#include <sys/eventfd.h>

int eventfd(unsigned int initval, int flags);

int eventfd2(unsigned int initval, int flags);

参数
- \initval  为初始值（关联内部结构的 count）
- \flags    内核 2.6.26 之前的版本这个参数无效且必须指定为 0

flags 有意义的参数为
- EFD_CLOEXEC, 等效于 O_CLOEXEC
- EFD_NONBLOCK, 等效于 O_NONBLOCK
- EFD_SEMAPHORE, 信号量选项，影响 read(2) 的取值

返回
- 成功返回一个新的文件描述符，失败返回 -1 并设置 errno

eventfd 作为一个非常简单的抽象文件，每个文件描述符都对应一个在内核空间维护的 __u64 count, 一个无符号64位整形的计数器，而eventfd对应的文件操作都与这个计数器相关。

提供的文件操作

read(2), 读取 count 减少的值，若flags设置 EFD_SEMAPHORE 则 count -= 1, 否则 count -= count; 函数成功返回 8
write(2), 写入一个 cnt，count += cnt，函数成功返回 8
poll(2), poll 操作，事件通知的核心，详见下
close(2), eventfd 结构对象引用计数减一，若未0，则释放所占用的内存

使用

eventfd(2) 核心就是其 poll 操作，最常见的用法是配合 select(2)/poll(2)/epoll(2) 使用达到不同线程间通信的作用。

#include <poll.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/eventfd.h>
#include <pthread.h>

int efd;

void *run_eventfd_write(void *arg) {
    uint64_t count = 1;
    while (1) {
        printf("write count: %zu\n", count);
        write(efd, &count, sizeof(count));
        count++;
        sleep(2);
    }
}

int main() {
    struct pollfd fds;
    pthread_t pid;

    unsigned int initval = 1000;  // 观察将 1000 改为 0 后打印的顺序
    int flags = 0;
    int timeout = 1000;

//     flags |= EFD_SEMAPHORE; // 观察将该注释取消打印的结果
    efd = eventfd(initval, flags);
    fds.fd = efd;
    fds.events |= POLLIN;

    pthread_create(&pid, NULL, run_eventfd_write, NULL);

    while (1) {
        int ret = poll(&fds, 1, timeout);
        if (ret > 0) {
            uint64_t count;
            read(efd, &count, sizeof(count));
            printf("read count: %zu\n", count);
        }
    }
}

read count: 1000
write count: 1
read count: 1
write count: 2
read count: 2
write count: 3
read count: 3
write count: 4
read count: 4

这里使用了一个非常简单的示例，程序不严谨但是很好的展示了如何在两个线程进行通信，在子线程中，通过一个无限循环每隔一秒向 eventfd 中写入一个逐渐增大的无符号长整形数字，在主线程中通过 poll(2) 接收到有就绪事件产生，并且使用 read 函数读取内核空间的计数器减少的值。

read write 系统调用的参数都是以下的形式

int read(int, void *, size_t);

而 eventfd 内部是维护的计数器，所以在使用的时候，保持第二个参数和第三个参数分别为 uint64_t * 和 sizeof(uint64_t)

实现

eventfd(2) 代码实现位于 fs/eventfd.c 中

从代码实现的目录就可以发现，eventfd 是作为一种文件来实现的，代码很简单，不到500行，非常容易理解。通过 eventfd 也可以窥探一下内核驱动的逻辑。

struct eventfd_ctx

struct eventfd_ctx 为 eventfd 在内核空间维护的结构，简单轻量。

struct eventfd_ctx {
        struct kref kref;  // 结构的引用计数，为 0 时回收内存空间
        wait_queue_head_t wqh;  // 等待队列头
        /*
         * Every time that a write(2) is performed on an eventfd, the
         * value of the __u64 being written is added to "count" and a
         * wakeup is performed on "wqh". A read(2) will return the "count"
         * value to userspace, and will reset "count" to zero. The kernel
         * side eventfd_signal() also, adds to the "count" counter and
         * issue a wakeup.
         */
        __u64 count;  // 和文件操作紧密相关的计数器
        unsigned int flags;  // 一些标志位
};

eventfd(2)

系统调用用于创建一个新的文件描述符，初始化内核空间的计数器，还需要初始化等待队列头，后面的读写文件操作都会将自己投入到等待队列中。

static int do_eventfd(unsigned int count, int flags)
{
        struct eventfd_ctx *ctx;
        int fd;

        /* Check the EFD_* constants for consistency.  */
        BUILD_BUG_ON(EFD_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
        BUILD_BUG_ON(EFD_NONBLOCK != O_NONBLOCK);

        // flags 只能在 EFD_CLOEXEC EFD_NONBLOCK EFD_SEMAPHORE 中产生
        if (flags & ~EFD_FLAGS_SET)
                return -EINVAL;

        ctx = kmalloc(sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
        if (!ctx)
                return -ENOMEM;

        kref_init(&ctx->kref);  // 初始化内存引用为 1
        init_waitqueue_head(&ctx->wqh);  // 初始化等待队列头
        ctx->count = count;  // 初始化计数器的为 count
        ctx->flags = flags;  // 设置 flags

        // 创建一个新的文件描述符，并且设置 eventfd 的文件操作
        fd = anon_inode_getfd("[eventfd]", &eventfd_fops, ctx,
                              O_RDWR | (flags & EFD_SHARED_FCNTL_FLAGS));
        if (fd < 0)
                eventfd_free_ctx(ctx);

        return fd;
}

eventfd_fops 为eventfd的文件操作结构，最后注册在文件的 f_op 结构中。

static const struct file_operations eventfd_fops = {
        .release        = eventfd_release,  // 文件的关闭操作
        .poll           = eventfd_poll,  // 文件的 poll 操作
        .read           = eventfd_read,  // 读
        .write          = eventfd_write,  // 写
        .llseek         = noop_llseek,
};

eventfd_read(2), read(2), eventfd_write(2), write(2)

static ssize_t eventfd_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
                            loff_t *ppos)
{
        struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;  // 将 eventfd 结构从文件的私有数据中取出来
        ssize_t res;
        __u64 ucnt = 0;
        DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);  // 声明一个等待队列项

        if (count < sizeof(ucnt))  // 读取的内存内存必须可以容下一个 sizeof(u64)
                return -EINVAL;

        spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
        res = -EAGAIN;  // 初始设置EAGAIN，对应非阻塞模式且不符合可读条件
        if (ctx->count > 0)  // 计数器的值大于 0，意味着可以进行 read 操作，返回值取 8
                res = sizeof(ucnt);
        else if (!(file->f_flags & O_NONBLOCK)) {  // count = 0 并且为设置非阻塞的方式
                __add_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);  // 将等待项添加到等待队列中
                for (;;) {
                        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  // 设置任务的运行状态为可中断
                        if (ctx->count > 0) {  // 计数器值大于 0，退出循环
                                res = sizeof(ucnt);
                                break;
                        }
                        if (signal_pending(current)) {  // 当前任务有信号产生，退出循环，转而处理信号中断
                                res = -ERESTARTSYS;
                                break;
                        }
                        spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
                        schedule();  // 调度
                        spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
                }
                __remove_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);  // 退出循环，删除等待队列中的等待项
                __set_current_state(TASK_RUNNING);  // 设置任务的运行状态为 运行
        }
        if (likely(res > 0)) {
                eventfd_ctx_do_read(ctx, &ucnt);  // 根据eventfd的flags 来选择读取的数量
                if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
                        wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, EPOLLOUT);  // 唤醒当前的线程，记住这个函数，后面会配合 select 分析一下，就可以把整个逻辑走通了。
        }
        spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);

        if (res > 0 && put_user(ucnt, (__u64 __user *)buf))  // 将count减小的数量复制到用户空间
                return -EFAULT;

        return res;
}

static void eventfd_ctx_do_read(struct eventfd_ctx *ctx, __u64 *cnt)
{
        *cnt = (ctx->flags & EFD_SEMAPHORE) ? 1 : ctx->count;  // 设置了 EFD_SEMAPHORE，读取的大小为 1
        ctx->count -= *cnt;
}

static ssize_t eventfd_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count,
                             loff_t *ppos)
{
        struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
        ssize_t res;
        __u64 ucnt;
        DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);

        if (count < sizeof(ucnt))
                return -EINVAL;
        if (copy_from_user(&ucnt, buf, sizeof(ucnt)))  // 从用户空间复制 8 个字节进内核空间
                return -EFAULT;
        if (ucnt == ULLONG_MAX)  // count 最大值为 ULLONG_MAX
                return -EINVAL;
        spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
        res = -EAGAIN;  // 初始设置EAGAIN，对应非阻塞模式且不符合可写入条件
        if (ULLONG_MAX - ctx->count > ucnt)  // 是否可以写入
                res = sizeof(ucnt);
        else if (!(file->f_flags & O_NONBLOCK)) {  // 不能写入且未设置非阻塞模式
                __add_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);  // 将等待项添加至等待队列中
                for (res = 0;;) {  // 清除设置的 EAGAIN
                        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);  // 设置当前任务的运行状态为可中断
                        if (ULLONG_MAX - ctx->count > ucnt) {  // 可写入，设置返回值，退出循环
                                res = sizeof(ucnt);
                                break;
                        }
                        if (signal_pending(current)) {  // 当前任务有信号产生
                                res = -ERESTARTSYS;
                                break;
                        }
                        spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);
                        schedule();  // 投入到调度队列中
                        spin_lock_irq(&ctx->wqh.lock);
                }
                __remove_wait_queue(&ctx->wqh, &wait);  // 删除等待队列中的等待项
                __set_current_state(TASK_RUNNING);  // 设置任务正在运行
        }
        if (likely(res > 0)) {
                ctx->count += ucnt;  // 计数器的值增加
                if (waitqueue_active(&ctx->wqh))
                        wake_up_locked_poll(&ctx->wqh, EPOLLIN);  // 唤醒线程
        }
        spin_unlock_irq(&ctx->wqh.lock);

        return res;
}

除去对入参 cnt 的判断外，在对阻塞模式处理的循环前对 res 的处理也不同，write(2) 是将原来的 res = -EAGAIN 赋值为 0，而 read(2) 未做修改。
但是实际上两者的效果是一样的，进入阻塞模式后，res 一定会取到一个值再返回。

read(2)/write(2) 每一次阻塞时都会将自己投入至内部结构的等待队列中 __add_wait_queue(), 在count可用后，进行唤醒操作：通过遍历当前等待队列，唤醒线程

poll

static __poll_t eventfd_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
        struct eventfd_ctx *ctx = file->private_data;
        __poll_t events = 0;
        u64 count;

        poll_wait(file, &ctx->wqh, wait);  // 结合 select 一起看这个函数

        // 一些关于临界区资源访问的注释

        count = READ_ONCE(ctx->count);

        if (count > 0)  // 数量大于 0 可读
                events |= EPOLLIN;
        if (count == ULLONG_MAX)  // 数量达到上限，错误
                events |= EPOLLERR;
        if (ULLONG_MAX - 1 > count)  // 可写
                events |= EPOLLOUT;

        return events;
}

poll 的实现非常简单，根据 count 的数量进行返回。

文件的 f_op->poll() 在 eventfd 中对应 eventfd_poll()，在 select(2)/poll(2) 中看到两者都会循环调用 f_op->poll()，以下使用 select(2) 的实现为参考。

在select(2)调用时，函数 do_select() -> poll_initwait() 设置 pt->_qproc 为 __pollwait()，select(2) 循环执行每个文件描述符对应的 poll 方法，在eventfd 中也就是调用 eventfd_poll()。
eventfd_poll() 调用 poll_wait() -> 调用 pt->_qproc() 也就是 __pollwait(), 在 __pollwait() 中设置队列项的回调函数为 pollwake() 并将其投入至文件的等待队列中，返回就绪的事件掩码。
发生了 read(2)/write(2) 操作，在函数返回前，调用 wake_up_locked_poll(), 遍历文件的等待队列，执行队列项的回调函数（这里对应select(2)中的pollwake()），然后唤醒线程。

小结

eventfd 是一个非常轻量的事件通知方式，通过它的简单运行机制，也可以大概了解一般文件的处理方式。结合 select(2)/poll(2)/epoll(2) 可以把多路复用这一块的整个知识点串联起来。

对 epoll(2) 分析之前把 eventfd 和 poll 先看一遍也是好处多多，毕竟 epoll(2) 也是文件和事件通知的结合。